專利名稱：固態(tài)成像器件及其驅(qū)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固態(tài)成像器件及其驅(qū)動(dòng)方法。
背景技術(shù)：
日本未決專利公開(kāi)No.H2-50480公開(kāi)了一種固態(tài)成像器件，該器件包括形成在半導(dǎo)體襯底中并且產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于入射光的信號(hào)電荷的光電轉(zhuǎn)換單元；與光電轉(zhuǎn)換單元相鄰地位于半導(dǎo)體襯底中、并且臨時(shí)積累信號(hào)電荷的電荷積累單元；接收來(lái)自電荷積累單元的信號(hào)電荷并且轉(zhuǎn)移該信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移柵單元；以及CCD。
圖6示出了日本未決專利公開(kāi)No.H2-50480中公開(kāi)的固態(tài)成像器件的剖面圖。在這種構(gòu)造中，通常在范圍從光電轉(zhuǎn)換單元、電荷積累單元17、轉(zhuǎn)移柵單元18以及CCD的區(qū)域上形成N型區(qū)12。在襯底中的電荷積累單元17的表面部分中，形成P+型區(qū)14使其連接到光電轉(zhuǎn)換單元的表面P+型區(qū)4，從而在比P+型區(qū)4形成的水平淺的水平處形成p-n結(jié)。同時(shí)，P-型區(qū)15形成在轉(zhuǎn)移柵8下的襯底的表面部分中。因?yàn)樾纬稍陔姾煞e累單元17中的N型區(qū)比光電轉(zhuǎn)換單元中的N型區(qū)厚，如圖所示，所以電荷積累單元17具有比較深的勢(shì)阱。
圖7示出了日本未決專利公開(kāi)No.H6-236987中公開(kāi)的固態(tài)成像器件的剖面圖。
該固態(tài)成像器件包括將入射光轉(zhuǎn)換成信號(hào)電荷并積累該信號(hào)電荷的雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)1002(光電轉(zhuǎn)換單元)；將在雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)1002中積累的信號(hào)電荷讀出到其中的讀出區(qū)1007；以及控制將雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)1002中積累的信號(hào)電荷讀出到讀出區(qū)1007中的電荷讀出柵1008。在雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)1002和電荷讀出柵1008之間，形成高濃度雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)1009，該高濃度雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)1009具有設(shè)置得比雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)1002的電勢(shì)淺的電勢(shì)，并且在積累周期中，允許信號(hào)電荷從雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)1002流入到其中并且積累在其中。積累柵電極1011形成在高濃度雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)1009上。高濃度雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)1009具有與電荷讀出柵1008的導(dǎo)電類型不同的導(dǎo)電類型。
在這種構(gòu)造的固態(tài)成像器件中，如下所述讀出信號(hào)電荷。首先，在信號(hào)電荷的積累周期中，使積累柵電極1011和讀出柵電極1003降到低電平。在此信號(hào)電荷積累在高濃度雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)1009中。當(dāng)只有讀出柵電極1003升到高電平時(shí)，積累在高濃度雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)1009中的信號(hào)電荷能夠流入到電荷讀出柵1008中。如果然后對(duì)積累柵電極1011施加負(fù)電壓，則積累在高濃度雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)1009中的信號(hào)電荷能夠快速流入到電荷讀出柵1008中。
然而，上述現(xiàn)有技術(shù)在以下方面存在問(wèn)題。
日本未決專利公開(kāi)No.H6-236987中描述的固態(tài)成像器件具有電荷讀出柵1008，該電荷讀出柵1008由落在高濃度雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)1009和讀出區(qū)1007之間的半導(dǎo)體襯底1001的表面部分構(gòu)成。在這種構(gòu)造中，由于通過(guò)形成在半導(dǎo)體襯底的表面部分中的溝道進(jìn)行轉(zhuǎn)移，在高濃度雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)1009中積累的電荷被讀出到讀出區(qū)1007。因此，在將高濃度雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)1009中積累的電荷讀出到讀出區(qū)1007的過(guò)程中，除非對(duì)讀出柵電極1003施加高電壓，電荷讀出柵1008決不會(huì)具有深的電勢(shì)。特別地，在高濃度雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)1009和電荷讀出柵1008之間的界面處的電勢(shì)將保持在高電平，并且這將降低轉(zhuǎn)移效率。
相似地，在日本未決專利公開(kāi)No.H2-50480中描述的固態(tài)成像器件具有轉(zhuǎn)移柵單元18，該轉(zhuǎn)移柵單元18由具有與光電轉(zhuǎn)換單元和電荷積累單元的導(dǎo)電類型(N型)不同導(dǎo)電類型的P-型區(qū)15構(gòu)成。因此，同樣在此構(gòu)造中，在從電荷積累單元17讀出電荷時(shí)，需要對(duì)轉(zhuǎn)移柵8施加高電壓。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供一種固態(tài)成像器件(或者固態(tài)圖像拾取器件)，包括半導(dǎo)體襯底；位于半導(dǎo)體襯底的表面部分中的第一導(dǎo)電類型的雜質(zhì)區(qū)；形成在雜質(zhì)區(qū)中的光電轉(zhuǎn)換單元；與光電轉(zhuǎn)換單元接觸地形成在雜質(zhì)區(qū)中的電荷積累單元，用于臨時(shí)積累在光電轉(zhuǎn)換單元中產(chǎn)生的電荷，電荷積累單元具有第一導(dǎo)電性；與電荷積累單元接觸地形成在雜質(zhì)區(qū)中的阻擋單元，其使電荷積累單元積累電荷，阻擋單元具有第一導(dǎo)電性；以及提供給電荷積累單元的第一電極。
這里，半導(dǎo)體襯底的表面部分在具有形成在其中的電荷積累單元和阻擋單元的區(qū)域上可以具有第一導(dǎo)電類型。
在此構(gòu)造中，在光電轉(zhuǎn)換單元中產(chǎn)生的電荷通過(guò)掩埋溝道轉(zhuǎn)移，該掩埋溝道是相同導(dǎo)電類型的區(qū)域，所以電荷的積累和轉(zhuǎn)移能夠只用低電壓控制。
固態(tài)成像器件可以還包括與阻擋單元接觸地形成在雜質(zhì)區(qū)中的電荷讀出單元，其具有第一導(dǎo)電類型；與電荷讀出單元接觸地形成在雜質(zhì)區(qū)中的電荷轉(zhuǎn)移單元，其具有第一導(dǎo)電類型；以及提供給電荷讀出單元的讀出電極，其中阻擋單元可以是電荷保持單元，其被構(gòu)造成能夠根據(jù)輸入到讀出電極的信號(hào)的電平來(lái)臨時(shí)保持從電荷積累單元轉(zhuǎn)移的電荷。這里，半導(dǎo)體襯底的表面部分在具有形成在其中的電荷積累單元、阻擋單元、電荷讀出單元和電荷轉(zhuǎn)移單元的區(qū)域上可以具有第一導(dǎo)電類型。
根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種用于驅(qū)動(dòng)固態(tài)成像器件的方法，所述固態(tài)成像器件包括半導(dǎo)體襯底；位于半導(dǎo)體襯底的表面部分中的第一導(dǎo)電類型的雜質(zhì)區(qū)；形成在雜質(zhì)區(qū)中的光電轉(zhuǎn)換單元；與光電轉(zhuǎn)換單元接觸地形成在雜質(zhì)區(qū)中的電荷積累單元，用于臨時(shí)積累在光電轉(zhuǎn)換單元中產(chǎn)生的電荷，電荷積累單元具有第一導(dǎo)電性；與電荷積累單元接觸地形成在雜質(zhì)區(qū)中的阻擋單元，其使電荷積累單元積累電荷，阻擋單元具有第一導(dǎo)電性；以及提供給電荷積累單元的第一電極，所述方法包括當(dāng)高電平信號(hào)輸入到第一電極時(shí)，在電荷積累單元中積累電荷；以及當(dāng)?shù)碗娖叫盘?hào)輸入到第一電極時(shí)，將在電荷積累單元中積累的電荷轉(zhuǎn)移到阻擋單元。
在這種構(gòu)造中，當(dāng)電荷積累單元的電勢(shì)相對(duì)于光電轉(zhuǎn)換單元的電勢(shì)加深時(shí)，電荷被積累在電荷積累單元中，所以光電轉(zhuǎn)換單元中產(chǎn)生的電荷能夠被有效地轉(zhuǎn)移到電荷積累單元。這種構(gòu)造能夠成功地減少光電轉(zhuǎn)換單元的殘余圖像。
根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種用于驅(qū)動(dòng)固態(tài)成像器件的方法，所述固態(tài)成像器件包括半導(dǎo)體襯底；位于半導(dǎo)體襯底的表面部分中的第一導(dǎo)電類型的雜質(zhì)區(qū)；形成在雜質(zhì)區(qū)中的光電轉(zhuǎn)換單元；與光電轉(zhuǎn)換單元接觸地形成在雜質(zhì)區(qū)中的電荷積累單元，用于臨時(shí)積累在光電轉(zhuǎn)換單元中產(chǎn)生的電荷，電荷積累單元具有第一導(dǎo)電性；與電荷積累單元接觸地形成在雜質(zhì)區(qū)中的阻擋單元，其使電荷積累單元積累電荷，阻擋單元具有第一導(dǎo)電性；提供給電荷積累單元的第一電極；以及提供給阻擋單元的第二電極，所述方法包括當(dāng)高電平信號(hào)輸入到第一電極，并且低電平信號(hào)輸入到第二電極時(shí)，在電荷積累單元中積累電荷；以及當(dāng)?shù)碗娖叫盘?hào)輸入到第一電極，并且高電平信號(hào)輸入到第二電極時(shí)，將在電荷積累單元中積累的電荷轉(zhuǎn)移到阻擋單元。
應(yīng)該理解，上述組成部分的任意組合、以及在“方法”和“器件”之間交換的本發(fā)明的專利說(shuō)明書中的任何表述作為本發(fā)明的實(shí)施例也是有效的。
本發(fā)明能夠成功地在低電壓下控制電荷的積累和轉(zhuǎn)移。


本發(fā)明的上述和其他目的，優(yōu)點(diǎn)和特征通過(guò)結(jié)合附圖的如下描述將變得更清楚，其中圖1是剖面圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的固態(tài)成像器件的構(gòu)造；圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的固態(tài)成像器件的電勢(shì)圖；圖3A和3B分別是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的另一個(gè)固態(tài)成像器件的剖面圖和電勢(shì)圖；圖4是剖面圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的再一個(gè)固態(tài)成像器件的構(gòu)造；圖5A和5B分別是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的固態(tài)成像器件的剖面圖和電勢(shì)圖；圖6是剖面圖，示出了傳統(tǒng)固態(tài)成像器件的構(gòu)造；以及圖7是剖面圖，示出了另一傳統(tǒng)固態(tài)成像器件的構(gòu)造。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在，將參考示意性的實(shí)施例來(lái)在此描述本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，使用本發(fā)明的講解，能夠完成多種可選擇的實(shí)施例，并且本發(fā)明并不局限于以說(shuō)明為目的而示出的實(shí)施例。
下面的段落將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。注意，相似的標(biāo)號(hào)被賦予任何相似的元件，并且將不重復(fù)說(shuō)明。下面的實(shí)施例處理的是第一導(dǎo)電類型為N型的情況。
(第一實(shí)施例)本實(shí)施例的固態(tài)成像器件100適用于接觸傳感器，諸如典型應(yīng)用在掃描器和MFP(多功能外圍設(shè)備)的CIS(接觸圖像傳感器)。
固態(tài)成像器件100包括光電轉(zhuǎn)換單元150；電荷積累單元152，其臨時(shí)積累光電轉(zhuǎn)換單元150中產(chǎn)生的電荷；電荷保持區(qū)154(阻擋單元)，其臨時(shí)保持從電荷積累單元152轉(zhuǎn)移的電荷；電荷讀出單元156；以及電荷轉(zhuǎn)移單元158。
固態(tài)成像器件100還包括N型半導(dǎo)體襯底102；形成在N型半導(dǎo)體襯底102中的P阱104；以及形成在P阱104的表面部分中的N型雜質(zhì)區(qū)106。在本實(shí)施例中，光電轉(zhuǎn)換單元150、電荷積累單元152、電荷保持區(qū)154、電荷讀出單元156以及電荷轉(zhuǎn)移單元158都形成在N型雜質(zhì)區(qū)106中。電荷積累單元152、電荷保持區(qū)154、電荷讀出單元156以及電荷轉(zhuǎn)移單元158均由N型雜質(zhì)層構(gòu)成。另外，電荷積累單元152、電荷保持區(qū)154、電荷讀出單元156以及電荷轉(zhuǎn)移單元158的表面部分均由N型雜質(zhì)層構(gòu)成。
光電轉(zhuǎn)換單元150包括第一N型雜質(zhì)層112和形成在其上的第二P型雜質(zhì)層114，二者都形成在N型雜質(zhì)區(qū)106中。第一N型雜質(zhì)層112是具有比N型雜質(zhì)區(qū)106的載流子濃度高的載流子濃度的N+型雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)。第一P型雜質(zhì)層110是具有比P阱104的載流子濃度高的載流子濃度的P+型雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)。如上所示，通過(guò)在第一N型雜質(zhì)層112上形成第二P型雜質(zhì)層114，能夠防止漏電流流入第一N型雜質(zhì)層112，其中該漏電流是由于光電轉(zhuǎn)換單元150中的氧化硅膜界面處的能級(jí)引起的。
固態(tài)成像器件100包括與光電轉(zhuǎn)換單元150接觸地形成在N型雜質(zhì)區(qū)106中的第二N型雜質(zhì)層116。在本實(shí)施例中，電荷積累單元152由第二N型雜質(zhì)層116的一部分構(gòu)成。第二N型雜質(zhì)層116是具有比N型雜質(zhì)區(qū)106的載流子濃度低的載流子濃度的N-型雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)。
在本實(shí)施例中，光電轉(zhuǎn)換單元150和電荷積累單元152形成在N型雜質(zhì)區(qū)106中。與光電轉(zhuǎn)換單元150相接觸地形成了第二N型雜質(zhì)層116，其中第二N型雜質(zhì)層116具有與第一N型雜質(zhì)層112相同的導(dǎo)電類型。因而，在光電轉(zhuǎn)換單元150中產(chǎn)生的電荷在低電壓下能通過(guò)掩埋溝道轉(zhuǎn)移到電荷積累單元152。因此，使得能夠減小或者幾乎完全消除在低電壓下在光電轉(zhuǎn)換單元150中的殘留圖像(after-image)。
固態(tài)成像器件100包括遠(yuǎn)離第二N型雜質(zhì)層116地形成在N型雜質(zhì)區(qū)106中的第三N型雜質(zhì)層118。在本實(shí)施例中，電荷保持區(qū)154由第二N型雜質(zhì)層116的剩余部分和落在第二N型雜質(zhì)層116和第三N型雜質(zhì)層118之間的區(qū)域(N型雜質(zhì)區(qū)106)構(gòu)成。換言之，電荷保持區(qū)154由第一區(qū)154a(第二N型雜質(zhì)層116)以及第二區(qū)154b(N型雜質(zhì)區(qū)106)構(gòu)成，其中第一區(qū)154a與電荷積累單元152接觸，第二區(qū)154b具有比第二N型雜質(zhì)層116的電勢(shì)深的電勢(shì)。這種構(gòu)造能夠?qū)⒁呀?jīng)被轉(zhuǎn)移到電荷保持區(qū)154中的電荷向電荷轉(zhuǎn)移單元158的方向轉(zhuǎn)移。
形成第三N型雜質(zhì)層118，以便構(gòu)造電荷讀出單元156的一部分。在本實(shí)施例中，電荷讀出單元156由第三N型雜質(zhì)層118和一部分N型雜質(zhì)區(qū)106構(gòu)成。第三N型雜質(zhì)層118是具有比N型雜質(zhì)區(qū)106的載流子濃度低的載流子濃度的N-型雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)。電荷讀出單元156的第三N型雜質(zhì)層118具有比電荷保持區(qū)154的第二區(qū)154b淺的電勢(shì)。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)輸入到電荷讀出電極126的信號(hào)電平，電荷能夠被保持在電荷保持區(qū)154中，或者被從電荷保持區(qū)154中讀出，下面將對(duì)其進(jìn)行說(shuō)明。
電荷轉(zhuǎn)移單元158由N型雜質(zhì)區(qū)106的一部分構(gòu)成。
固態(tài)成像器件100包括與光電轉(zhuǎn)換單元150接觸地形成在P阱104中的第一P型雜質(zhì)層110；以及形成在其上的電極130。P型雜質(zhì)層110起到了溝道停止區(qū)的作用。
固態(tài)成像器件100還包括提供給電荷積累單元152的電荷積累電極120(第一電極)，提供給電荷保持區(qū)154的第一電荷保持電極122(第二電極)和第二電荷保持電極124(第二電極)，提供給電荷讀出單元156的電荷讀出電極126(第三電極)，以及提供給電荷轉(zhuǎn)移單元158的電荷轉(zhuǎn)移電極128。盡管這里，電荷積累電極120和第一電荷保持電極122被構(gòu)造成彼此分離，但是他們能夠以一體的方式形成。盡管未示出，柵絕緣膜形成在每個(gè)單獨(dú)的電極和半導(dǎo)體襯底的表面之間。
在本實(shí)施例中，給電荷積累電極120提供第一時(shí)鐘信號(hào)TG1。第一時(shí)鐘信號(hào)TG1具有3.3V的高電平和0V的低電平。給電荷讀出電極126提供第二時(shí)鐘信號(hào)TG2。第二時(shí)鐘信號(hào)TG2具有3.3V的高電平和0V的低電平。給電荷轉(zhuǎn)移電極128提供第三時(shí)鐘信號(hào)1。第三時(shí)鐘信號(hào)1具有3.3V的高電平和0V的低電平。
在本實(shí)施例中，電荷積累單元152被構(gòu)造成在第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間是可切換的，其中第一狀態(tài)為當(dāng)向電荷積累電極120輸入具有比輸入到第一電荷保持電極122(以及第二電荷保持電極124)的信號(hào)的電平高的電平的信號(hào)時(shí)，允許電荷積累；第二狀態(tài)為當(dāng)向電荷積累電極120輸入具有比輸入到第一電荷保持電極122(以及第二電荷保持電極124)的信號(hào)的電平低的電平的信號(hào)時(shí)，允許積累的電荷轉(zhuǎn)移。在本實(shí)施例中，通過(guò)如下所述來(lái)驅(qū)動(dòng)固態(tài)成像器件100當(dāng)高電平的第一時(shí)鐘信號(hào)TG1輸入到電荷積累電極120時(shí)，在電荷積累單元152中積累電荷；當(dāng)?shù)碗娖降牡谝粫r(shí)鐘信號(hào)TG1輸入到電荷積累電極120時(shí)，在電荷積累單元152中積累的電荷被轉(zhuǎn)移到電荷保持區(qū)154。在積累和轉(zhuǎn)移電荷的處理步驟中，可以將輸入到電荷積累電極120的高電平信號(hào)和低電平信號(hào)的信號(hào)值之間的恒定電勢(shì)提供給第一電荷保持電極122和第二電荷保持電極124。第一電荷保持電極122和第二電荷保持電極124電氣地連接，這允許輸入恒定電勢(shì)信號(hào)MEM1。恒定電勢(shì)信號(hào)MEM1可以是1V。
在本實(shí)施例中，電荷保持區(qū)154的第一區(qū)154a和電荷積累單元152由第二N型雜質(zhì)層116構(gòu)成，并且具有基本相同的雜質(zhì)濃度(載流子濃度)。這種構(gòu)造使得在沒(méi)有信號(hào)輸入的狀態(tài)下電荷積累電極120和第一電荷保持電極122的電勢(shì)基本相等。因此，在電荷積累單元152和電荷保持區(qū)154之間的相對(duì)電勢(shì)深度是可切換的，而不用顯著擴(kuò)大輸入到電荷積累電極120的信號(hào)的電平差?，F(xiàn)在假定輸入到電荷積累電極120的第一時(shí)鐘信號(hào)TG1的高電平和的電平之間的電勢(shì)差只有大約3V那樣大，這種構(gòu)造允許以容易控制的方式將電荷積累到電荷積累單元152中并且從電荷積累單元152中讀出電荷。
圖2是如此構(gòu)造的固態(tài)成像器件100的電勢(shì)圖。在此圖中，向下的方向表示較低(較深)的電勢(shì)。電荷向較低電勢(shì)側(cè)遷移。在本實(shí)施例中，電荷積累單元152被構(gòu)造成基于輸入到電荷積累電極120的信號(hào)，其電勢(shì)的深度(高度)相對(duì)于電荷保持區(qū)154的電勢(shì)的深度(高度)是可切換的。
為將電荷積累到電荷積累單元152中，輸入到電荷積累電極120的第一時(shí)鐘信號(hào)TG1被升高到高電平(3.3V)。恒定電勢(shì)信號(hào)MEM1(1V)被輸入到第一電荷保持電極122和第二電荷保持電極124。因此，在此種情況下的電荷積累電極120被施加了比施加到第一電荷保持電極122的電壓高的電壓，所以電荷積累單元152的電勢(shì)變得比電荷保持區(qū)154的電勢(shì)深。結(jié)果，電荷被積累在電荷積累單元152中。
接下來(lái)，輸入到電荷積累電極120的第一時(shí)鐘信號(hào)TG1被降低到低電平(0V)，并且輸入到電荷讀出電極126的第二時(shí)鐘信號(hào)TG2也被降低到低電平(0V)。第一電荷保持電極122和第二電荷保持電極124保持被施加1V恒定電勢(shì)信號(hào)MEM1。因此，在此種情況下的電荷積累電極120被施加了比施加到第一電荷保持電極122的電壓低的電壓，所以電荷積累單元152的電勢(shì)變得比電荷保持區(qū)154的電勢(shì)淺。此外，電荷讀出單元156的電勢(shì)變得比電荷保持區(qū)154的電勢(shì)淺。結(jié)果，在電荷積累單元152中積累的電荷被轉(zhuǎn)移到電荷保持區(qū)154并且被保持在其中。
然后，輸入到電荷讀出電極126的第二時(shí)鐘信號(hào)TG2以及輸入到電荷轉(zhuǎn)移電極128的第三時(shí)鐘信號(hào)1都被升高到高電平(3.3V)，通過(guò)該操作，在電荷保持區(qū)154中保持的電荷被轉(zhuǎn)移到電荷讀出單元156，然后當(dāng)使第二時(shí)鐘信號(hào)TG2降低到低電平(0V)時(shí)，將電荷轉(zhuǎn)移到電荷轉(zhuǎn)移單元158。
如此構(gòu)造本實(shí)施例的固態(tài)成像器件100，使得當(dāng)電荷積累到電荷積累單元152中時(shí)，電荷積累單元152的電勢(shì)加深。因此，該器件能夠有效地將光電轉(zhuǎn)換單元150中產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)移到電荷積累單元152，并且積累在其中。結(jié)果，能夠減小或者幾乎完全消除光電轉(zhuǎn)換單元150的殘留圖像。
下面段落將說(shuō)明制備如圖1所示的固態(tài)成像器件100的工序。
首先，將硼注入到N型半導(dǎo)體襯底102的表面部分中(例如，以1.0×1012到5.0×1012cm-2的劑量)，由此選擇性地形成P阱104。然后將磷注入到預(yù)定用于光電轉(zhuǎn)換單元150、電荷積累單元152、電荷保持區(qū)154、電荷讀出單元156和電荷轉(zhuǎn)移單元158的區(qū)域中(例如，以1.0×1012到5.0×1012cm-2的劑量)，由此形成N型雜質(zhì)區(qū)106。然后，將硼注入到N型雜質(zhì)區(qū)106中(例如，以1.0×1013到5.0×1013cm-2的劑量)，由此與預(yù)定用于光電轉(zhuǎn)換單元150的區(qū)域相鄰地形成第一P型雜質(zhì)層110。
然后，將硼注入到預(yù)定用于光電轉(zhuǎn)換單元150和電荷積累單元152的區(qū)域中，并且注入到預(yù)定用于電荷保持區(qū)154的區(qū)域的一部分中(例如，以1.0×1011到1.0×1012cm-2的劑量)，由此形成N-型雜質(zhì)層。第二N型雜質(zhì)層116同樣方式形成。
接下來(lái)，柵絕緣膜(未示出)形成在N型半導(dǎo)體襯底102的整個(gè)表面上。然后，典型地通過(guò)CVD工藝，在柵絕緣膜的整個(gè)表面上形成第一電極層。此后，在光電轉(zhuǎn)換單元150上選擇地刻蝕第一電極層。接下來(lái)，使用第一電極層作為掩模，將磷(例如，以1.0×1012到5.0×1012cm-2的劑量)和硼(例如，以1.0×1013到5.0×1013cm-2的劑量)注入到光電轉(zhuǎn)換單元150中，由此分別形成第一N型雜質(zhì)層112以及第二P型雜質(zhì)層114。在這里，第二N型雜質(zhì)層116能夠被構(gòu)造成當(dāng)不論向電荷積累電極120輸入第一時(shí)鐘信號(hào)TG1的高電平和低電平的哪一個(gè)時(shí)，都實(shí)現(xiàn)比光電轉(zhuǎn)換單元150的電勢(shì)深的電勢(shì)。
接下來(lái)，通過(guò)刻蝕來(lái)構(gòu)圖第一電極層9，以獲得預(yù)定幾何形狀。由此形成電極120、124、128以及130。然后使用在電荷讀出單元156的一部分上開(kāi)口的掩模，將硼注入到電荷讀出單元156中(例如，以1.0×1011到1.0×1012cm-2的劑量)，由此形成第三N型雜質(zhì)層118。
然后，柵絕緣膜的暴露部分被去除，由此形成第二柵絕緣膜。接下來(lái)，典型地通過(guò)CVD工藝形成第二電極層。然后通過(guò)刻蝕來(lái)構(gòu)圖第二電極層，以獲得預(yù)定幾何形狀。此后，層間絕緣膜被形成在N型半導(dǎo)體襯底102的整個(gè)表面上。接下來(lái)，在層間絕緣膜中形成用于通過(guò)其與各電極接觸的接觸孔，并且通過(guò)用金屬互連(未示出)填充接觸孔來(lái)完成固態(tài)成像器件100。另外，除了固態(tài)成像器件100的光電轉(zhuǎn)換單元150之外的區(qū)域被未示出的屏蔽膜覆蓋。
如上所述，在本實(shí)施例的固態(tài)成像器件100中，在光電轉(zhuǎn)換單元150中產(chǎn)生的電荷通過(guò)形成在N型雜質(zhì)區(qū)106中的掩埋溝道被轉(zhuǎn)移。因而，不需要形成表面通道就能在低電壓下控制電荷的積累、保持和轉(zhuǎn)移。
圖3A和3B示出了本實(shí)施例的固態(tài)成像器件100的另一個(gè)例子。圖3A是固態(tài)成像器件100的剖面圖，圖3B示出了圖3A所示的固態(tài)成像器件100的電勢(shì)圖。
本例子與圖1所示的固態(tài)成像器件100的差別在于電荷積累單元152的構(gòu)造。如圖3A所示，這里，電荷積累單元152還包括與光電轉(zhuǎn)換單元150接觸的第四N型雜質(zhì)層117。在電荷積累單元152中，第一電荷積累電極120a位于第四N型雜質(zhì)層117上，第二電荷積累電極120b位于另一區(qū)域上。第一電荷積累電極120a和第二電荷積累電極120b彼此電氣地連接，第一時(shí)鐘信號(hào)TG1輸入到第一電荷積累電極120a和第二電荷積累電極120b。在此被構(gòu)造為分離的第一電荷積累電極120a和第二電荷積累電極120b可以以一體的方式形成。第四N型雜質(zhì)層117是具有比N型雜質(zhì)區(qū)106和第二N型雜質(zhì)層116的載流子濃度低的載流子濃度的N-型雜質(zhì)層。
如圖3B所示，第四N型雜質(zhì)層117具有比第二N型雜質(zhì)層116的電勢(shì)淺的電勢(shì)。因而，電荷積累單元152能夠具有電勢(shì)差。這有助于電荷向電荷轉(zhuǎn)移單元158順利遷移。而且在此情況下，與圖1示出的構(gòu)造相似，能夠在低電壓下控制電荷的積累、保持以及轉(zhuǎn)移。
圖4是剖面圖，示出了本實(shí)施例的固態(tài)成像器件100的再一個(gè)例子。
本例子與圖1所示的固態(tài)成像器件100的差別是光電轉(zhuǎn)換單元150的構(gòu)造。這里，如此構(gòu)造光電轉(zhuǎn)換單元150，使得第一N型雜質(zhì)層112在與電荷積累單元152接觸的區(qū)域中暴露于N型半導(dǎo)體襯底102的表面。這有助于在光電轉(zhuǎn)換單元150中積累的電荷的順利轉(zhuǎn)移。而且在此情況下，與圖1示出的構(gòu)造相似，能夠在低電壓下控制電荷的積累、保持以及轉(zhuǎn)移。
(第二實(shí)施例)圖5A和5B分別是本實(shí)施例的固態(tài)成像器件100的剖面圖和電勢(shì)圖。
本實(shí)施例的固態(tài)成像器件100與第一實(shí)施例的固態(tài)成像器件100的差別在于不具有電荷保持區(qū)154和不具有電荷讀出單元156。
圖5A示出了本實(shí)施例的固態(tài)成像器件100的剖面圖。固態(tài)成像器件100包括光電轉(zhuǎn)換單元150；與光電轉(zhuǎn)換單元150相鄰的電荷積累單元162；以及與電荷積累單元162相鄰的電荷轉(zhuǎn)移單元168(阻擋單元)。電荷積累單元162具有電荷積累電極140，電荷轉(zhuǎn)移單元168具有電荷轉(zhuǎn)移電極142。
而且，在本實(shí)施例中，固態(tài)成像器件100包括N型半導(dǎo)體襯底102、形成在N型半導(dǎo)體襯底102中的P阱104、以及形成在P阱104的表面部分中的N型雜質(zhì)區(qū)106。在本實(shí)施例中，光電轉(zhuǎn)換單元150、電荷積累單元162以及電荷轉(zhuǎn)移單元168都形成在N型雜質(zhì)區(qū)106中。電荷積累單元162和電荷轉(zhuǎn)移單元168均由N型雜質(zhì)層構(gòu)成。另外，電荷積累單元162和電荷轉(zhuǎn)移單元168的表面部分均由N型雜質(zhì)層構(gòu)成。
電荷轉(zhuǎn)移單元168由形成在N型雜質(zhì)區(qū)106中的第三N型雜質(zhì)層118和一部分N型雜質(zhì)區(qū)106構(gòu)成。第三N型雜質(zhì)層118是具有比N型雜質(zhì)區(qū)106的載流子濃度低的載流子濃度的N-型雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)。電荷積累單元162由落在光電轉(zhuǎn)換單元150和第三N型雜質(zhì)層118之間的一部分N型雜質(zhì)區(qū)106構(gòu)成。
在本實(shí)施例中，第一時(shí)鐘信號(hào)TG1被提供給電荷積累電極140。第一時(shí)鐘信號(hào)TG1具有3.3V的高電平和0V的低電平。第三時(shí)鐘信號(hào)1被提供給電荷轉(zhuǎn)移電極142。第三時(shí)鐘信號(hào)1具有3.3V的高電平和0V的低電平。
在本實(shí)施例中，固態(tài)成像器件100能夠通過(guò)以下來(lái)驅(qū)動(dòng)當(dāng)高電平信號(hào)輸入到電荷積累電極140時(shí)，并且當(dāng)?shù)碗娖叫盘?hào)輸入到電荷轉(zhuǎn)移電極142時(shí)，在電荷積累單元162中積累電荷；當(dāng)?shù)碗娖叫盘?hào)輸入到電荷積累電極140時(shí)，并且當(dāng)高電平信號(hào)輸入到電荷轉(zhuǎn)移電極142時(shí)，將在電荷積累單元162中積累的電荷轉(zhuǎn)移到電荷轉(zhuǎn)移單元168。
圖5B是圖5A示出的固態(tài)成像器件100的電勢(shì)圖。
在本實(shí)施例中，電荷積累單元162以及電荷轉(zhuǎn)移單元168被構(gòu)造為基于分別輸入到電荷積累電極140和電荷轉(zhuǎn)移電極142的信號(hào)，其相對(duì)電勢(shì)深度是可切換的。
為將電荷積累到電荷積累單元162中，輸入到電荷積累電極140的第一時(shí)鐘信號(hào)TG1被升高到高電平(3.3V)。結(jié)果，電荷積累在電荷積累單元162中。這里，具有高電平和低電平交替重復(fù)的脈沖的第三時(shí)鐘信號(hào)1被提供給電荷轉(zhuǎn)移電極142。在本實(shí)施例中，電荷轉(zhuǎn)移單元168具有第三N型雜質(zhì)層118，其中甚至當(dāng)高電平信號(hào)被輸入到電荷轉(zhuǎn)移電極142時(shí)，電荷轉(zhuǎn)移單元168的第三N型雜質(zhì)層118的電勢(shì)也保持比電荷積累單元162的電勢(shì)淺。因而，只要向電荷積累電極140輸入的高電平第一時(shí)鐘信號(hào)TG1繼續(xù)，則電荷就會(huì)在電荷積累單元162中積累。
然后，輸入到積累電極140的第一時(shí)鐘信號(hào)TG1被降低到低電平(0V)。然后，電荷積累單元162的電勢(shì)變淺。當(dāng)電荷轉(zhuǎn)移電極142在此被施加高電平的第三信號(hào)1時(shí)，電荷轉(zhuǎn)移單元168的電勢(shì)變得比電荷積累單元162的電勢(shì)深。結(jié)果，電荷積累單元162中積累的電荷被轉(zhuǎn)移到電荷轉(zhuǎn)移單元168。
而且，本實(shí)施例的固態(tài)成像器件100中，能夠在低電壓下控制電荷的積累和轉(zhuǎn)移，而無(wú)需形成表面溝道。
已經(jīng)參照實(shí)施例和例子在前面的段落中描述了本發(fā)明。這些實(shí)施例和例子只用于解釋的目的，所以對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解允許任何修改并且這樣的修改也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
第一實(shí)施例中說(shuō)明的被輸入到第一電荷保持電極122以及第二電荷保持電極124的恒定電勢(shì)能夠被控制。
上述實(shí)施例已經(jīng)示出了具有提供給N型半導(dǎo)體襯底102的P阱104的構(gòu)造，然而也允許使用P型半導(dǎo)體襯底，并且在其中提供N型雜質(zhì)區(qū)。在上述實(shí)施例中被說(shuō)明為N型的第一導(dǎo)電類型可以是相反的。
顯然，本發(fā)明不局限于以上實(shí)施例，可以在不偏離本發(fā)明的范圍和精神的情況下進(jìn)行修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)成像器件，包括半導(dǎo)體襯底；位于所述半導(dǎo)體襯底的表面部分中的第一導(dǎo)電類型的雜質(zhì)區(qū)；形成在所述雜質(zhì)區(qū)中的光電轉(zhuǎn)換單元；與所述光電轉(zhuǎn)換單元接觸地形成在所述雜質(zhì)區(qū)中的電荷積累單元，用于臨時(shí)積累在所述光電轉(zhuǎn)換單元中產(chǎn)生的電荷，所述電荷積累單元具有所述第一導(dǎo)電性；與所述電荷積累單元接觸地形成在所述雜質(zhì)區(qū)中的阻擋單元，其使所述電荷積累單元積累所述電荷，所述阻擋單元具有所述第一導(dǎo)電性；以及提供給所述電荷積累單元的第一電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像器件，其中所述電荷積累單元被構(gòu)造成無(wú)論高電平信號(hào)和低電平信號(hào)中的哪一個(gè)被輸入到所述第一電極，其都具有比所述光電轉(zhuǎn)換單元的電勢(shì)深的電勢(shì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像器件，其中所述電荷積累單元被構(gòu)造成基于輸入到所述第一電極的信號(hào)，其相對(duì)于所述阻擋單元的電勢(shì)的電勢(shì)深度是可切換的。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固態(tài)成像器件，其中所述電荷積累單元被構(gòu)造成基于輸入到所述第一電極的信號(hào)，其相對(duì)于所述阻擋單元的電勢(shì)的電勢(shì)深度是可切換的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像器件，其中所述阻擋單元包括與所述電荷積累單元接觸的第一區(qū)，以及具有比所述第一區(qū)的電勢(shì)深的電勢(shì)的第二區(qū)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的固態(tài)成像器件，其中所述阻擋單元的所述第一區(qū)具有與所述電荷積累單元的雜質(zhì)濃度基本相等的雜質(zhì)濃度。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固態(tài)成像器件，其中所述阻擋單元包括與所述電荷積累單元接觸的第一區(qū)，以及具有比所述第一區(qū)的電勢(shì)深的電勢(shì)的第二區(qū)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的固態(tài)成像器件，其中所述阻擋單元的所述第一區(qū)具有與所述電荷積累單元的雜質(zhì)濃度基本相等的雜質(zhì)濃度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像器件，還包括與所述阻擋單元接觸地形成在所述雜質(zhì)區(qū)中的電荷讀出單元，其具有所述第一導(dǎo)電類型；與所述電荷讀出單元接觸地形成在所述雜質(zhì)區(qū)中的電荷轉(zhuǎn)移單元，其具有所述第一導(dǎo)電類型；以及提供給所述電荷讀出單元的讀出電極，其中所述阻擋單元是電荷保持單元，其被構(gòu)造成能夠根據(jù)輸入到所述讀出電極的信號(hào)的電平來(lái)臨時(shí)保持從所述電荷積累單元轉(zhuǎn)移的電荷。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像器件，其中所述光電轉(zhuǎn)換單元包括第一導(dǎo)電類型的第一雜質(zhì)層；以及與所述第一導(dǎo)電類型不同的第二導(dǎo)電類型的第二雜質(zhì)層，其形成在所述第一雜質(zhì)層上和所述半導(dǎo)體器件的表面部分中。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像器件，還包括提供給所述阻擋單元的第二電極。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的固態(tài)成像器件，其中所述電荷積累單元以及所述阻擋單元被構(gòu)造成基于分別輸入到所述第一電極和所述第二電極的信號(hào)，它們的相對(duì)電勢(shì)深度是可切換的。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的固態(tài)成像器件，其中所述電荷積累單元被構(gòu)造成在第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間是可切換的，其中第一狀態(tài)是當(dāng)把具有比輸入到所述第二電極的信號(hào)的電平高的電平的信號(hào)輸入到所述第一電極時(shí)，允許所述電荷的積累，第二狀態(tài)是當(dāng)把具有比輸入到所述第二電極的信號(hào)的電平低的電平的信號(hào)輸入到所述第一電極時(shí)，允許所述積累的電荷的轉(zhuǎn)移。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的固態(tài)成像器件，其中所述電荷積累單元被構(gòu)造成在第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間是可切換的，其中第一狀態(tài)是當(dāng)把具有比輸入到所述第二電極的信號(hào)的電平高的電平的信號(hào)輸入到所述第一電極時(shí)，允許所述電荷的積累，第二狀態(tài)是當(dāng)把具有比輸入到所述第二電極的信號(hào)的電平低的電平的信號(hào)輸入到所述第一電極時(shí)，允許所述積累的電荷的轉(zhuǎn)移。
15.一種用于驅(qū)動(dòng)固態(tài)成像器件的方法，所述固態(tài)成像器件包括半導(dǎo)體襯底；位于所述半導(dǎo)體襯底的表面部分中的第一導(dǎo)電類型的雜質(zhì)區(qū)；形成在所述雜質(zhì)區(qū)中的光電轉(zhuǎn)換單元；與所述光電轉(zhuǎn)換單元接觸地形成在所述雜質(zhì)區(qū)中的電荷積累單元，用于臨時(shí)積累在所述光電轉(zhuǎn)換單元中產(chǎn)生的電荷，所述電荷積累單元具有所述第一導(dǎo)電性；與所述電荷積累單元接觸地形成在所述雜質(zhì)區(qū)中的阻擋單元，其使所述電荷積累單元積累所述電荷，所述阻擋單元具有所述第一導(dǎo)電性；以及提供給所述電荷積累單元的第一電極，所述方法包括當(dāng)高電平信號(hào)輸入到所述第一電極時(shí)，在所述電荷積累單元中積累電荷；以及當(dāng)?shù)碗娖叫盘?hào)輸入到所述第一電極時(shí)，將在所述電荷積累單元中積累的所述電荷轉(zhuǎn)移到所述阻擋單元。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的用于驅(qū)動(dòng)固態(tài)成像器件的方法，其中所述固態(tài)成像器件還包括提供給所述阻擋單元的第二電極，并且在所述積累所述電荷中和在所述轉(zhuǎn)移所述電荷中，所述高電平信號(hào)和所述低電平信號(hào)的信號(hào)電平之間的恒定電勢(shì)被施加到所述第二電極。
17.一種用于驅(qū)動(dòng)固態(tài)成像器件的方法，所述固態(tài)成像器件包括半導(dǎo)體襯底；位于所述半導(dǎo)體襯底的表面部分中的第一導(dǎo)電類型的雜質(zhì)區(qū)；形成在所述雜質(zhì)區(qū)中的光電轉(zhuǎn)換單元；與所述光電轉(zhuǎn)換單元接觸地形成在所述雜質(zhì)區(qū)中的電荷積累單元，用于臨時(shí)積累在所述光電轉(zhuǎn)換單元中產(chǎn)生的電荷，所述電荷積累單元具有所述第一導(dǎo)電性；與所述電荷積累單元接觸地形成在所述雜質(zhì)區(qū)中的阻擋單元，其使所述電荷積累單元積累所述電荷，所述阻擋單元具有所述第一導(dǎo)電性；提供給所述電荷積累單元的第一電極；以及提供給所述阻擋單元的第二電極，所述方法包括當(dāng)高電平信號(hào)輸入到所述第一電極，并且低電平信號(hào)輸入到所述第二電極時(shí)，在所述電荷積累單元中積累電荷；以及當(dāng)?shù)碗娖叫盘?hào)輸入到所述第一電極，并且高電平信號(hào)輸入到所述第二電極時(shí)，將在所述電荷積累單元中積累的所述電荷轉(zhuǎn)移到所述阻擋單元。
全文摘要
一種固態(tài)成像器件，包括N型半導(dǎo)體襯底；位于N型半導(dǎo)體襯底的表面部分中的N型雜質(zhì)區(qū)；形成在N型雜質(zhì)區(qū)中的光電轉(zhuǎn)換單元；與光電轉(zhuǎn)換單元接觸地形成在N型雜質(zhì)區(qū)中的電荷積累單元，用于臨時(shí)積累在光電轉(zhuǎn)換單元產(chǎn)生的電荷；與電荷積累單元接觸地形成在N型雜質(zhì)區(qū)中的電荷保持區(qū)，即阻擋單元，其允許電荷積累單元積累電荷；以及提供給電荷積累單元的電荷積累電極。電荷積累單元和電荷保持區(qū)形成為N
文檔編號(hào)H04N5/341GK1941397SQ20061015927
公開(kāi)日2007年4月4日 申請(qǐng)日期2006年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月29日
發(fā)明者工藤弘儀, 打矢聰, 山本淳一, 二村文章 申請(qǐng)人:恩益禧電子股份有限公司